循环流化床锅炉鳍片喷焊工艺.doc

循环流化床锅炉膜式水冷壁管屏防磨喷焊工艺分析
芜湖金鼎锅炉有限公司技术部 方伟 尹方玉 韩家跃

摘要: 循环流化床锅炉管屏局部磨损问题日益突出，严重影响了锅炉的运行和使用寿命，如何提高管屏的耐磨性已成为循环流化床锅炉制造的新课题。本文具体介绍了氧-乙炔火焰粉末合金喷焊膜式水冷壁管屏防磨工艺，该工艺较为有效地解决了循环流化床锅炉管屏局部磨损问题。
关键词：膜式水冷壁 火焰喷焊 磨损 涂层
Technical Analysis of Wear-resistant Spray-welding
for Membrane Wall Pipe Screen of CFB Boiler

Wuhu JinDing Boiler Co. Ltd. Fang Wei Yin Fanyu Han Jia-yue

Abstract: The problem for local wear-resistance of CFB boiler pipe screen is outstanding increasingly, and reflects seriously the boiler’s operation and service life. How to raise wear-resistance of pipe screen has become a new topic of manufacturing CFB boiler. The article introduces particularly the wear-resistant technique about membrane wall pipe screen of oxy-acetylene flame powder alloy spray-welding. The technique has solved the problem for wear-resistance of CFB boiler pipe screen effectively.

Key words: membrane wall flame spray-welding wear coating

0． 前言
随着循环流化床的推广应用，其环保性能、燃烧性能、燃料适应性、高效脱硫及灰渣的综合利用等一系列优势得到了充分显示，但这种燃烧技术所存在的局部冲刷磨损，严重影响了局部管子的使用寿命。如何采取有效方法减少膜式水冷壁的冲刷磨损成为我公司的主要研究课题，我们通过各种防磨措施（堆焊、加防磨片、热喷焊）的对比试验，最终对膜式水冷壁易磨损部位采用热喷焊工艺进行喷焊镍基合金，有效地减少了膜式水冷壁的磨损，取得了满意的效果。
1．循环流化床锅炉受热面的磨损机理
循环流化床锅炉内存在着不同方向、不同速度、不同角度、不同颗粒浓度的气流、射流和气泡，它们以各种形式作用于管子的工作表面，形成复杂的磨损过程。这些过程可以归结为磨粒磨损与冲蚀磨损两种类型。
磨粒磨损是一种硬表面或含有硬质点的软表面，以滑动的形式作用于更软的表面上，其结果，硬面或硬质点的突出部分在软面上开槽，挖出物料，而这些物料又充当磨粒，不断对软面进行磨损的过程。夹带于气流或液流中固体颗粒，以高于1m/秒的速度撞击到固体表面时，即产生冲蚀磨损。当冲击角度偏低、甚至大致与受热面平行时，速度的平行与垂直两个分速度，对表面产生“切削”效应，造成所谓“冲刷”磨损，实质上，它是一种磨粒磨损，磨粒磨损是在外力的作用下磨粒沿表面的移动，这种力是外力而且是恒定的。被磨面的硬度是抗磨的首要因素。
当冲击角偏大，直至垂直于被磨面，其过程则是一系列的颗粒对表面的冲击与反弹，作用于表面力量由于颗粒的减速，其结果使表面产生微小的塑性变形或微裂纹，并最终使变形层整片脱落而使工作面减薄，这种所谓“冲击磨损”是更典型的冲蚀磨损。在这种情况下，被磨面的韧性则更重要。
从以机理分析来看，提高受热面管屏的耐磨性能，既要提高其表面的硬度，又要兼顾材料的韧性。
2． 喷焊技术和方法的选择
热喷焊技术是一种工件表面强化和保护的工艺方法。它以气/液态、电弧或等离子弧做热源，将喷焊材料加热到熔化或塑态，借助于压缩空气或火焰推力将之喷射到预处理工件表面上，形成各种性能的涂层。依热源的不同热喷焊可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂等，其中氧-乙炔火焰喷焊是成本较低的一种喷焊方法。
喷焊所用材料可以是金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等各种工程材料，使得氧-乙炔火焰粉末合金涂层功能可以是耐磨、抗蚀、抗高温、隔热、绝缘等多种功能。有的材料的涂层由硬质陶瓷相和韧性塑性相组成，硬质相提供耐磨所需的硬质点，而塑性相的韧性减缓涂层的疲劳，这类材料符合循环硫化床锅炉受热面管防磨的要求。
从生产成本、工艺性能、防磨效果等多方面因素考虑，我们选择氧-乙炔火焰喷焊方法来提高循环硫化床锅炉膜式壁管屏抗磨性能，并选择Ni60为防磨涂层材料。
3． 膜式水冷壁喷焊工艺
3．1．管屏防磨层要求
我公司生产的75T循环硫化床锅炉隔墙水冷壁管屏采用焊制膜式壁管结构，由于直接受高温烟气冲刷，设计要求喷焊镍基合金进行防磨处理。焊制膜式壁管的材料为：φ51x5管子20（GB3087），规格为：40X6扁钢Q235-A，管子与扁钢焊接结构见下图，水冷壁管向火面受冲刷磨损，管子壁温小于600℃。对喷焊层的要求如下：
（1）喷焊层厚度0.6~0.8mm；
（2）喷焊层硬度：室温：HRC=55~60；600℃：HRC≥50；
（3）喷焊层与基层结合致密，无分层，锤击无脱落。

膜式水冷壁结构形式及喷焊方向
3．2．喷焊粉末的选择
根据喷焊层的技术要求，我们选择镍基自熔合金粉末Ni60，该粉末红硬性好，在600℃左右硬度值不变，Ni60粉末的化学成分见下表
表1. Ni60粉末化学成分
元素 C Si Fe Cr B Ni
含量% 0.35~1.0 4.5~7 ≤20 14~18 3~4.5 其余
镍基合金粉末Ni60中基体元素是镍，主要合金元素是铬，另一个重要元素是碳，为降低合金的熔点以及脱氧造渣要求加入较多的硼和硅，硼和硅的加入还能扩大固相线和液相线之间的距离，并能与镍生成低熔点共晶Ni-B，共晶熔点1070℃，保证了喷焊时合金具有低熔点和良好的流动性。硼和硅又是较强的还原剂，在各种温度下生成的氧化物都比镍的氧化物稳定，因此在喷焊过程中可以清洁基体表面，保证喷焊层材料有良好的浸润性，硼和硅的氧化物主要成分为B2O3（熔点580℃）及SiO2（熔点1713℃），两者共存时与其它金属氧化物形成硼硅酸盐类，这种硼硅酸盐粘度小，比重轻，流动性好，在喷焊过程中易浮出喷焊层表面从而保护喷焊层不受氧化，同时也防止气孔的产生。硼和硅还与合金元素发生反应生成各种硼化物如Cr2B、CrB、Ni3B、Ni3Si等，这些化合物的硬度很高，且红硬性好，能提高喷焊层的耐磨性，硅还有固溶强化作用，另外粉末中的碳还和铬、铁元素形成硬化相。
4． 喷焊工艺
氧-乙炔火焰喷焊工艺如下：表面处理→预热→粉末喷涂→重熔→镜面反光
喷焊枪采用上海焊割工具厂生产的QH-4/h金属粉末喷焊炬，合金粉末采用Ni60。喷焊过程中应根据不同情况调整火焰，火焰的性质、特点及用途见表2。
表2. 氧-乙炔火焰性质、特点及用途
火焰性质
O2/C2H2
火焰特点
用 途
炭化焰
＜1
乙炔过剩，对工作有增碳作用，火焰呈
白色，温度3000℃
预 热
还原焰
1
乙炔稍多，无增碳作用，火焰呈蓝绿色，
温度3000℃
送粉、预热
中性焰
1~1.2
没有自由氧和碳存在，无化学反应，火
焰蓝色，温度3150℃
重 熔
4．1．表面处理
通过喷砂（金刚砂）或砂轮打磨去除工件表面的油污及氧化皮，目的是得到粗糙而具有光泽的新鲜表面以有利于涂层与基层结合，表面处理的好坏直接影响涂层与基体的良好结合。
4．2．预热
使用氧-乙炔气割炬或喷焊枪采用炭化焰对膜式壁向火面局部喷焊部位进行预热，膜式水冷壁向火面背面可采用绝缘材料垫平以防止喷焊后管屏变形严重。
4．3．粉末喷焊
使用QH-4/h喷焊枪，采用还原焰向喷焊部位喷Ni60粉末合金，应注意喷射均匀。此时的涂层与基体的结合只是一种机械吸附，结合力较低，由于膜式水冷壁表面是由圆弧和平面组成，喷焊时要注意粉末厚度均匀。
4．4．重熔
喷粉后，采用中性焰，对喷涂层进行均匀加热重熔，至出现镜面反光为止。涂层重熔温度均为1050℃左右，熔化时要仔细控制温度的一致性，以防止变形。熔化时热影响区要足够宽，以防止焊层与集体材料拉伸状态差别不一致引起焊层应力裂纹。为防止管屏变形，在熔化时要根据不同形状及不同喷焊部位，采用不同的方位和手法进行重熔，使热应力消除。
5． 试样检查
5．1．涂层表面硬度试验
采用洛氏硬度试验法，试样材料20g，规格δ10，喷涂层厚度1.2mm，测定10点，室温为HRC55~60，600℃下HRC54~57。
5．2．结合强度试验
使用160T油压机压扁试管，试管材料20，规格φ51x5，长200mm，检查涂层结合情况，未发现有分层和脱落现象。
5．3．金相检查
金相宏观检查：涂层与基层结合致密，无分层现象；微观分析，其中以硬化相强化为主，并且硬化相的沉淀硬化效应使涂层具有良好的红硬性。
6． 结论
对循环硫化床锅炉受高温烟气冲刷的磨损面采用氧-乙炔焰喷焊技术喷焊镍基防磨层，是有效防止管子磨损的工艺方法。该项工艺施工成本低、不受场地限制，可以在现场、炉内施工。操作方法简便、灵活，不受场地和产品结构的限制。近年来，我们采用该项工艺对多台硫化床锅炉的膜式壁管屏磨损面进行喷焊防磨处理，从锅炉的实际运行效果来看，防磨损效果较为明显，取得很大成效。

作者简介：方 伟，1974年生，西安交通大学焊接专业毕业，主要从事锅炉、压力容器焊接工艺及焊接技术研究工作。

邮编：241001